生物酶在染整工业中的应用现状和发展前景

随全球对环保的日益重视及人们对纺织品要求的提高，纺织染整工业受到很大的挑战。传统的染整工艺需要耗用大量的水和化学物质：如强酸、强碱、氧化剂、还原剂等，不仅消耗资源，损伤纤维材料，而且产生严重污染。解决这一问题的根本途径在于寻找对纤维和环保不具有侵犯性的工业过程，即发展环境友好型染整工艺，实施绿色染整加工。

生物酶是一种无毒、对环境友好的生物催化剂，其化学本质为蛋白质。酶的生产和应用，在国内外已具有80多年历史，进入20世纪80年代，生物工程作为一门新兴高新术在我国得到了迅速发展，酶的制造和应用领域逐渐扩大，酶在纺织工业中的应用也日臻成熟，由过去主要用于棉织物的退浆和蚕丝的脱胶，至现在在纺织染整的各领域的广泛应用，体现了生物酶在染整工业中的优越性。现在酶处理工艺已被公认为是一种符合环保要求的绿色生产工艺，它不仅使纺织品的服用性能得到改善和提高，又因无毒无害，用量少，可生物降解废水，无污染而有利于生态环保的保护。本文从酶的特性及作用机理，阐述了生物酶在常见纤维品种上的应用，展望了生物酶在染整工业中的应用前景。

l 生物酶的特性和作用机理

1．1生物酶的结构和特性

生物酶是具有催化功能的蛋白质。象其他蛋白质一样，酶分子由氨基酸长链组成。其中一部分链成螺旋状，一部分成折叠的薄片结构，而这两部分由不折叠的氨基酸链连接起来，而使整个酶分子成为特定的三维结构。生物酶是从生物体中产生的，它具有特殊的催化功能，其特性如下：

高效性：用酶作催化剂，酶的催化效率是一般无机催化剂的103 106倍。

专一性：一种酶只能催化一类物质的化学反应，即酶是仅能促进特定化合物、特定化学键、特定化学变化的催化剂。

低反应条件：酶催化反应不象一般催化剂需要高温、高压、强酸、强碱等剧烈条件，而可在较温和的常温、常压下进行。

易变性失活：在受到紫外线、热、射线、表面活性剂、金属盐、强酸、强碱及其它化学试剂如氧化剂、还原剂等因素影响时，酶蛋白的二级、三级结构有所改变。所以在大生产时，如有条件酶还可以回收利用。

可降低生化反应的反应活化能：酶作为一种催化剂，能提高化学反应的速率，主要原因是降低了反应的活化能，使反应更易进行。而且酶在反应前后理论上是不被消耗的，所以还可回收利用。

1．2生物酶的作用机理

酶蛋白与其它蛋白质的不同之处在于酶都具有活性中心。酶可分为四级结构：一级结构是氨基酸的排列顺序；二级结构是肽链的平面空间构象；三级结构是肽链的立体空间构象；四级结构是肽链以非共价键相互结合成为完整的蛋白质分子。真正起决定作用的是酶的一级结构，它的改变将改变酶的性质(失活或变性)。酶的作用机理比较被认同的是Koshland的“诱导契合”学说，其主要内容是：当底物结合到酶的活性部位时，酶的构象有一个改变。催化基团的正确定向对于催化作用是必要的。底物诱导酶蛋白构象的变化，导致催化基团的正确定位与底物结合到酶的活性部位上去。

2 应用于染整工业的生物酶的种类

生物酶技术应用于染整加工主要有两个方面：(1)天然纤维织物的前处理加工，用生物酶去除纤维或织物上的杂质，为后续染整加工创造条件。(2)织物的后整理加工，用生物酶去除纤维表面的绒毛，或使纤维减量，以改善织物的外观、手感和风格。目前应用的生物酶主要有以下几种。

2．1果胶酶

果胶酶主要是由果胶裂解酶、聚半乳糖醛酸酶、果胶酸盐裂解酶和果胶酯酶组成。果胶物质

是高度酯化的聚半乳糖醛酸。果胶酶作用于果胶物质时，果胶裂解酶、聚半乳糖醛酸酶、果胶酸盐裂解酶直接作用于果胶聚合物分子链内部的配糖键上，而果胶酯酶则使聚半糖醛酸酯水解，为聚半乳糖醛酸酶和果胶酸盐裂解酶创造更多的位置。

2．2脂肪酶

脂肪酶能将脂肪水解成甘油和脂肪酸，脂肪酸进一步进行B一氧化，每次脱下一个C2物，生成乙酰COA(N—环己基辛基胺)，进入TCA(三羧酸)环彻底氧化或进入乙醛酸环合成糖类。2_3蛋白酶

由微生物分泌的蛋白酶因菌种不同而异，例如枯草杆菌分泌明胶酶和酪蛋白酶，可以水解明胶和酪蛋白；费氏链酶菌分泌角蛋白酶，可以水解动物的毛、角、蹄的角蛋白。蛋白酶将蛋白质分解成肽，再经肽酶水解成氨基酸。

2．4 纤维素酶

纤维素酶是一个多组分酶体系，纺织工业中应用的纤维素酶大多数是由木酶属真菌制造的。纤维素酶中的纤维素二糖水解酶又称为外切纤维素酶，由CHB I和CHB II两种酶组成，而内切葡聚糖酶，又称为内切纤维素酶，至少由5种纤维素酶(EG I、EG II、EG HI、EG IV、EG V)组成。此外，还有13一葡萄糖醛酶。这些纤维素酶在纤维素的水解中具有协同作用。

3 酶作用和纤维织物加工

酶的作用与纤维织物加工以及酶用于纤维织物的加工流程分别见表1和表2。

表1和表2分别说明了酶的作用与纤维加工之间的关系及酶用于纤维织物的加工流程。从表中可看出，生物酶应用于染整工业最早是从织物退浆开始的。用淀粉酶催化水解织物上的淀粉浆料已经有多年历史，目前仍然是去除织物上的淀粉浆料的主要方法。应用于染整工业的退浆淀粉酶主要是a一淀粉酶、13一淀粉酶，一般使用温度为5O～70~C，pH值在6～7左右。目前用于退浆的淀粉酶主要向高温高效方向发展，高温淀粉酶，不仅可以提高退浆效率，而且可以同时去除混合浆料中的PVC等化学浆料。

应用于棉织物精练加工的生物酶主要是果胶酶、脂肪酶和纤维素酶等。用果胶酶可以去除棉纤维表面的果胶物质，但单独使用果胶酶，很难达到理想的精练效果。一般添加合适的表面活性剂一非离子型表面活性剂，帮助酶向微生物孑L和裂缝中渗透，并使它们在有利于发挥催化作用的位置上排列。另可加入纤维素酶，可大大提高生物精练的效果。用纤维素酶去除粗毛中的草刺等纤维素杂质，可避免羊毛纤维的损伤。蛋白水解酶用于蚕丝精练比淀粉酶退浆更早地被研究和利用。丝胶是一种易溶于温水和碱水的物质，易受到酶的作用，是由于酶的作用并不损伤蚕丝本身，所以酶练时没有皂碱法精练时因残留的肥皂所产生的麻烦。生物酶技术在染整工业中成功应用的另一个领域是纤维素分类纤维及蛋白质纤维织物的生物酶处理加工。主要使用酶剂是蛋白酶和纤维素酶。表2表明了纤维素类纤维的酶处理工艺，经纤维素酶整理后，织物外观和手感可以获得很大的改善。如麻织物，纤维粗硬，织物刚性大，触感差，用纤维素酶处理后，织物的刚性和硬挺度降低，光滑度和悬垂性提高，使织物获得极好的手感，因酶作用于纤维表面伸出的绒头，使纤维中硬而直的尖端部分原纤化纤维变得柔软，同时因去除了表面和绒毛，织物的光洁度提高，改善了麻织物的刺痒触感，称“生物抛光”。另一个较成功的实例是用纤维素酶进行牛仔布的石磨整理，商业上称“生物洗处理”，基本原理是用纤维素酶水解部分纤维素，同时通过机械揉搓和摩擦的协同作用，具有独特艳丽的表面和柔软手感。

图l为纤维素类纤维的主要酶处理工艺。

蛋白酶在织物后整理加工中，使再生纤维素中提高纯度纤维素纤维(Tence1)表面原纤化，主要用于羊毛地毯的后整理、毛织物防缩整理、羊毛衫“机可洗处理”及织物后脱胶整理。传统的去除羊毛鳞片的方法是用氢氧化钠和次氯酸钠的烈性工艺，但此工艺腐蚀性强，氯的气味浓，不符合文明生产的要求。用酶处理消除羊毛鳞片，可改善羊毛织物的防毡缩性和提高光泽，同时对毛纤维的损伤小，可使羊毛地毯表面光洁、毛茸高箕。用蛋白酶法处理羊毛衫可具有“机可织的性能”。有些织物，织后需脱胶，因蛋白酶处理可防止退色，且织物手感柔软。生物酶除了在织物前处理及后整理中得到广泛应用外，在其它方面也有应用。用过氧化氢分解酶应用于织物上的过氧化氢漂白，可去除织物上残留的过氧化氢，避免后续染色出现染斑和染花，比传统的还原剂法具有效率高、节能和无环境污染的优点，是生产绿色纺织品的主要工艺之一。

传统的羊毛染色工艺均为l0o℃下沸染，这种染色工艺耗能大，易损伤羊毛纤维，使染色织物手感粗糙，选用合适的蛋白酶用于羊毛染色，破坏羊毛纤维表面的鳞片结构，可促进染料向纤维内部扩散，提高染色速率和上染百分率。这种低温染色有利于节能和节省染料，减少纤维损伤，减少对环境的污染，改善了手感，提高了质量。

用生物酶对织物进行风格整理可使棉变得像天鹅绒，粘胶象真丝，麻变得柔软，羊毛变得像羊绒，真丝变为“天使的皮肤”，使整理后的织物呈现出特有的风格。如Tencel、粘胶等人造丝织物用酶处理，去除初级原纤维化的原纤部分，再经过次级原纤化，可使织物获得桃皮绒触感。

综上所述，生物酶技术在染整工业中具有广泛的应用前景。我们应当不失时机地抓紧对各种染整工业用生物酶的研制，解决染整中的一些难题，如酶的专一性，纤维的安全问题，尽可能减少纤维强力下降，酶的高效性问题，寻找耐温的酶种，蛋白酶作用的局限性问题等，加速我国染整工业的技术改造，早日完成染整工艺的更新换代，使我们的染整加工技术水平尽可能赶上世界先进水平